Главная / Теория термической обработки металлов / Старение и отпуск / Старение / Величина упрочнения три образовании выделений разного типа

Величина упрочнения три образовании выделений разного типа

Величина упрочнения зависит от типа выделений, их строения, свойств, размера, формы, характера и плотности распределения, степени несоответствия решеток матрицы и выделения и температуры испытания. 

Благодаря гомогенному зарождению плотность распределения зон ГП весьма большая и расстояние между ними обычно на столько мало (порядка 102 А̊), что для проталкивания дислокаций требуются большие напряжения, чем для перерезания зон. Следовательно, зоны ГП вызывают «химическое» упрочнение.

Если разница в атомных диаметрах растворимого и растворителя небольшая, то энергия упругих деформаций матрицы мала и «химическое» упрочнение является единственной причиной повышения прочности при старении (пример — сплавы Al — Ag и Al — Zn).

При большой разнице в атомных диаметрах, например в сплавах Al — Cu и Cu — Be, вокруг зон ГП создается поле значительных упругих напряжений, которое вносит свой вклад в торможение дислокаций зонами и в упрочнение при старении.

Полукогерентные выделения промежуточной фазы могут оказывать сильное упрочняющее влияние, если расстояние между ними мало. При прочих равных условиях ноле напряжений вокруг полукогерентных выделений слабее, чем вокруг когерентных, и, следовательно соответствующая составляющая упрочнения при старении должна быть меньше.

Однако выделения промежуточной фазы сильнее, чем зоны, отличаются по структуре от матрицы, и поэтому при их перерезании дислокациями создается большое нарушение укладки атомов.

Следовательно, каждое выделение промежуточной фазы способно вызвать более сильное «химическое» упрочнение, чем зона ГП, что при достаточно высокой плотности выделений может привести к получению большей прочности состаренного сплава по сравнению с зонной стадией распада.

Если же плотность выделений промежуточной фазы значительно ниже, чем зон ГП, то приложенные напряжения, способные проталкивать дислокации между выделениями, могут оказаться ниже напряжений, требуемых для перерезания зон ГП. В этом случае прочность сплава на стадии выделений промежуточной фазы ниже, чем на зонной.

Выделения стабильной фазы обычно некогерентны матрице, вокруг них нет полей упругих напряжений, а расстояния между выделениями достаточно велики, и дислокации под действием сравнительно небольших напряжений могут их обходить. Поэтому выделения стабильных фаз обычно вызывают значительно более слабое упрочнение при старении, чем зоны ГП и выделения метастабильных фаз.

Роль типа выделений проследим на примере сплавов Al — Cu. На рисунке показаны кривые нарастания истинных напряжений течения при деформировании кристаллов пересыщенного твердого раствора Al — 4% Cu, в котором предварительным старением были получены выделения разного типа: зоны ГП, θ˝-, θ´- или θ-фаза. Рисунок позволяет сравнить значения начального (критического) напряжения течения и способность к деформационному упрочнению — нарастанию напряжения течения с ростом степени деформации (по наклону кривых).


Кривые истинные напряжения

Кривые истинные напряжения

Кривые истинные напряжения — удлинение сплава Al — 4% Cu с
монокристальной матрицей и выделениями разного
типа (Фаин, Бирн и Келли).


Сплав с зонами ГП и когерентными выделениями θ˝-фазы отличается высоким начальным напряжением течения и малой величиной деформационного упрочнения. Наклон кривых истинных напряжений сплава с зонами ГП и θ˝-фазой небольшой.

В монокристаллах, результаты испытания которых представлены на рисунке, расстояние между центрами зон ГП и между выделениями θ˝-фазы равны соответственно 150 и 250 А̊.

Если подставить расстояние между выделениями в формулу, то величина критического напряжения, необходимого для проталкивания дислокаций, окажется в несколько раз больше экспериментальных значений начального напряжения течения. Электронно-микроскопическое исследование сплава Al — 4% Cu показывает, что дислокации не проталкиваются между зонами ГП и выделениями θ˝-фазы, а перерезают их.

Выделения θ˝-фазы сильнее повышают уровень напряжений течения сплава Al — Cu, чем зоны ГП, так как вокруг них в матрице выше упругие напряжения (смотрите структурное несоответствие решеток матрицы и θ˝-фазы по плоскостям (010) и (100) на рисунке Элементарные ячейки).

Выделения θ˝-фазы, сильнее отличающиеся по структуре от матрицы, должны вызывать и большее «химическое» упрочнение, так как при перерезании их дислокациями возникает более сильное нарушение укладки атомов, чем при перерезании зон ГП.

Начальное напряжение течения в сплаве с выделениями θ´-фазы меньше, чем в сплаве с θ˝-фазой, а деформационное упрочнение больше (кривая истинных напряжений на рисунке идет гораздо круче). Объясняется это тем, что расстояние между выделениями θ´-фазы были достаточно велики и дислокации проталкивались между ними при напряжении меньше того, которое необходимо для перерезания выделений.

С ростом степени деформации вокруг выделений растет число дислокационных петель, оставляемых каждой скользящей дислокацией. Эти петли затрудняют проталкивание последующих дислокаций, чем и объясняется интенсивный рост сопротивления деформированию с увеличением степени деформации.

Аналогичная картина наблюдается в сплаве с выделениями стабильной θ-фазы. Так как эти выделения полностью некогерентны матрице (смотрите рисунок Элементарные ячейки), а расстояние между ними еще больше (порядка 1 мкм), то начальное напряжение течения в сплаве со стабильной θ-фазой (CuAl2) значительно ниже, чем в сплаве с зонами ГП или выделениями θ˝- и θ´-фаз.

Коэффициент же деформационного упрочнения (наклон кривых) у сплава с θ-фазой больше, чем у сплава с зонами ГП или θ˝-фазой, из-за накопления дислокационных петель вокруг выделений.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Возврат после старения

Явление возврата после старения было открыто на дуралюмине. Если естественно состаренный дуралюмин нагреть до температуры примерно 250 °С, выдержать 20 — 60 с и быстро охладить, то его свойства возвращаются к значениям, характерным для свежезакаленного состояния.  Сущность явления возврата состоит в том, что зоны ГП, возникшие при естественном старении, во время нагрева сплава растворяются, метастабильные…

Выбор режима старения

Выбор температуры и продолжительности старения После предварительной оценки температурного уровня старения по соотношению или по аналогии с другими сплавами на базе того же металла экспериментально отрабатывают режим старения, строя графики, подобные рисуноки Схема зависимости прочностных свойств и Схема зависимости прочности от температуры старения. Как известно, старение подразделяют на естественное, происходящее при комнатной температуре, и искусственное,…

Искусственное старение

В зависимости от режима, структурных изменений и получаемого комплекса свойств искусственное старение можно подразделить на полное, неполное, перестаривание и стабилизирующее старение (соответствующие режимы и свойства приведены в таблице Режимы старения и механические свойства состаренных сплавов на разной основе для литейного алюминиевого сплава AЛ9). Полное искусственное старение проводят при такой температуре и продолжительности, которые обеспечивают достижение…

Ступенчатое старение

Старение с выдержкой вначале при одной, а затем при другой температуре называют ступенчатым. Как правило, температуру первой ступени выбирают ниже, чем второй. Основная цель двухступенчатого (двойного) старения — создать большое число центров выделений на низкотемпературной ступени, когда пересыщенность твердого раствора велика (на рисунке Размер выделений степень пересыщенности C0/C1 растет с понижением температуры Т1), а затем…

Максимальное упрочнение

Рассмотрим практически важный случай сложной роли естественного старения на примере сплавов системы Al — Mg — Si, находящихся на квазибинарном разрезе Al — Mg2Si или недалеко от него (сплавы типа авиаль). В этих сплавах при естественном старении образуются игольчатые зоны ГП, обогащенные магнием и кремнием, а при искусственном (170 °С) — метастабильная β´-фаза (смотрите таблицу…